Microbiologia industriale

Microbiologia industriale

Introduzione

La microbiologia è una disciplina abbastanza recente, rispetto alle altre tecnologie alimentari. Le tecnologie del settore alimentare hanno origine fin da quando gli uomini si sono organizzati a formare una società. Le popolazioni sono venute a contatto con i microrganismi attraverso l’osservazione degli alimenti, in particolare su trasformazioni che portavano allo scarto di un prodotto alimentare (es. il latte non poteva essere conservato in un ambiente caldo per molto tempo perché se consumato provocava malesseri). Allo stesso tempo i microrganismi venivano utilizzati per delle modificazioni utili nei prodotti (es. l’impasto che lievita, per la produzione di latticini fermentati). Questi microrganismi utilizzati non erano conosciuti. La loro scoperta e studio è iniziato solo dopo l’invenzione del microscopio nella seconda metà del XVII secolo, da cui nasce la microbiologia. È stato possibile quindi capire quale microrganismo fosse responsabile delle varie fermentazioni, e selezionarlo per aumentare le sue capacità.

Solamente dopo il 1780 è stato possibile mettere a punto un processo selezionato per la produzione di cellule capaci di lievitare un impasto, con il fine di venderle e avere dei ricavi. Il lievito da pane non veniva venduto come oggi, ma era ricavato dal residuo proveniente dalla lavorazione della birra (per questo si chiama lievito di birra). Questo causava nel pane un sapore particolarmente amaro, proveniente dal luppolo. Negli anni si è selezionato un lievito apposito per la vendita di cellule di lievito in panetti. Il panetto di lievito che oggi compriamo contiene il 70% di acqua e il 30% di cellule vive e vitali. Alla fine del 1800 è stato allestito un impianto industriale di un prodotto derivato da un microrganismo, l’acido lattico, che viene prodotto dai batteri lattici come ultimo composto del loro metabolismo.

La scoperta delle penicillina da parte di Fleming ha permesso un notevole sviluppo della microbiologia industriale. Fleming era un microbiologo clinico che studiava l’effetto dei microrganismi sulla salute umana, in particolare si occupava di streptococchi, cocchi situati nella gola. Su delle piastre in cui sono presenti delle colonie di streptococchi ed una muffa, nota che intorno alla muffa fino ad una certa distanza, non si sviluppavano le colonie di streptococco. La muffa è riuscita ad uccidere gli streptococchi, impedendo la formazione di colonie. La muffa era una colonia di Penicillium in grado di produrre un composto capace di eliminare gli streptococchi da cui è stata poi estratta la penicillina. Nascono così gli antibiotici, che agiscono verso alcuni tipi di microrganismi. Intorno al 1944 è nata la prima industria che produce penicillina su larga scala, utilizzata molto durate la seconda guerra mondiale per la guarigione dei soldati. La microbiologia industriale ha avuto un notevole sviluppo nel dopoguerra, soprattutto nella ricerca di antibiotici e in parallelo nel settore alimentare. (Negli anni ’70 è stata scoperta la struttura del DNA. Negli anni 2000 è stata pubblicata la sequenza del genoma umano e da lì in avanti le scoperte e le invenzioni hanno contribuito all’evoluzione dello studio dei microrganismi e allo sviluppo di applicazioni nel campo industriale).

Processi biotecnologici

All’interno della microbiologia prende una notevole importanza la biotecnologia. La biotecnologia è definita come l’applicazione deliberata e controllata, quindi consapevole, di agenti biologici semplici, come cellule microbiche vegetali o animali, vive o morte o dei loro componenti per allestire operazioni tecnologiche utili per la produzione di beni o servizi.

Negli ultimi anni la tecnologia del DNA ricombinante si è evoluta molto e occupa una buona fetta della biotecnologia, che spesso viene limitata alla sola ricerca sul DNA. Quindi un processo biotecnologico indica l’utilizzo di un microrganismo in un processo per la produzione di altri composti.

La biotecnologia è largamente impiegata nella produzione industriale di:

• Biomasse microbiche per nutrizione animale e umana.
• Commodities chimiche, acido citrico (utilizzato nelle bevande, prodotto da una muffa), acido glutammico (prodotto da un batterio), alcuni amminoacidi.
• Specialità, antibiotici e vitamine (vitamina B12 solo per via microbiologica).
• Starters (es. starter per la produzione di yogurt) ed enzimi (utilizzati per la formazione di detersivi biodegradabili).
• Probiotici, microrganismi capaci di colonizzare l’intestino con effetti benefici, e vaccini.
• Inoculanti del suolo (azoto fissatori) e delle piante (lotta biologica).

La biotecnologia fornisce dei servizi:

• Trattamento di rifiuto liquidi e solidi, processo di depurazione degli effluenti che avviene attraverso dei microrganismi (l’acqua che presenta degli inquinanti viene messa a contatto con determinati microrganismi capaci di cibarsi degli stessi inquinanti riducendone la concentrazione).
• Valorizzazione dei residui agro-industriali, all’interno del settore agricolo sono prodotti molti scarti (nella produzione di insalate di quarta gamma si ha fino al 50% di scarto come radice o foglie rovinate) utilizzati in digestori anaerobici (impianti che sfruttano dei microrganismi capaci di produrre metano a partire dai residui del settore agroalimentare, nell’industria di produzione di succhi è prodotto molto scarto valorizzato allo stesso modo).
• Diagnostica mirata (anticorpi monoclonali) e terapia mirata (anticorpi monoclonali come carriers di farmaci).

Studio di un processo biotecnologico

L’allestimento e lo studio di un processo biotecnologico prevede connessioni tra discipline scientifiche e tecnologiche (es. biotecnologo, chimico, economo, ingegnere). Il principio fondamentale che viene sfruttato è la fermentazione in senso lato, intesa come un processo che prevede l’impiego di un microrganismo sia in aerobiosi che in anaerobiosi. La definizione storica di fermentazione è un processo microbico di trasformazione di zucchero in etanolo e anidride carbonica, mentre la definizione in senso stretto intende le vere fermentazioni (anaerobie) come quella lattica, butirrica, propionica.

Le fermentazioni tradizionali sono processi di produzione di lievito da pane, birra e vino (bevande alcoliche in generale), aceto, prodotti del settore lattiero-caseario. Invece le fermentazioni moderne, nascono con il secondo dopoguerra, e prevedono l’impiego di un bioreattore con condizioni e variabili di processo controllate e l’uso consapevole, controllato e deliberato, dei microrganismi. All’interno dei processi biotecnologici vengono utilizzate colture microbiche, un insieme di microrganismi che può presentarsi in forma liquida o solida.

In un processo microbiologico possiamo semplificare quello che avviene in un’industria con un’equazione:

S + X → P
dove:
S = substrato ed ingredienti;
X = cellule microbiche (processo di fermentazione);
→ = quindi processo produttivo, e di recupero;
P = prodotto (cellule, metaboliti primari, metaboliti secondari, enzimi, prodotti di biotrasformazione).

Cellule microbiche

I processi di fermentazioni tradizionali (processi poco controllati) sono allestiti impiegando una popolazione mista presente nelle materie prime e in ambienti particolari (es. alimenti fermentati e bevande alcoliche). Questo tipo di fermentazione è utilizzato nella produzione di formaggio in cui si utilizza una coltura mista di batteri lattici. Nello sviluppo di processi su larga scala si impiegano colture pure a seguito dell’individuazione e isolamento dei responsabili dei processi microbiologici. Queste colture pure sono ceppi ottenuti con una procedura di isolamento a partire da habitat naturale. Questo permette di ottenere la standardizzazione del prodotto. In alcuni casi sono messi a punto processi che prevedono l’impiego di microrganismi ricombinanti (microrganismi geneticamente modificati ottenuti dall’ingegneria genetica). Nel settore alimentare questo non sempre è consentito, oppure è consentito solo se la manipolazione genetica è condotta applicando una serie di procedure ristrette. Per l’ottenimento di prodotti ad uso alimentare è necessario che i microrganismi appartengano a determinate categorie, una di queste è “GRASS” (Generally Recognized As Safe).

Nella produzione di yogurt non si acidifica con Escherichia coli o Salmonella, ma attraverso l’uso di microrganismi GRASS, microrganismi sicuri e non patogeni, cioè nella loro genealogia, famiglia di microrganismi legati tra loro, non deve esserci patogenicità. L’azienda alimentare per ottenere i microrganismi che necessita può isolarli da un habitat naturale (suolo, aria, acqua, prodotto alimentare) e studiare se sono in grado di ottenere il prodotto. In alternativa li prendono da collezioni ufficiali, fatte da società che si occupano di collezionare, classificare e mantenere i microrganismi. Una collezione di microrganismi importante è l’ATCC. La CABI è specializzata in funghi superiori. L’azienda può comprare, anche a prezzi elevati, i ceppi che necessita nella produzione. Per questo alcune aziende preferiscono isolare il proprio ceppo. Il passaggio dei microrganismi tra i vari stati è controllato da dogane, tranne che all’interno dell’Europa e tra gli stati degli USA.

Substrato

Il substrato ha un ruolo fondamentale nello sviluppo di un processo fermentativo in funzione del tipo di microrganismo e del prodotto. Quando si formula un terreno colturale, lo studio deve tenere conto anche che le quantità del terreno a livello industriale sono molto elevate (fino a 1000³ m). Si stima che circa il 40% del costo dell’intero processo fermentativo derivi dalla formazione degli ingredienti. Quindi dall’accoppiata microrganismo-substrato dipende l’economicità del processo. Tutte le aziende che operano nel campo della microbiologia industriale sono alla ricerca di un substrato economico e allo stesso tempo funzionale al microrganismo. I substrati utilizzati su larga scala sono materie prime grezze, costituite da residui agro-industriali o surplus agricoli. Se il terreno deve contenere una fonte di saccarosio come fonte di energia è utilizzato il residuo della produzione di succhi di frutta, e non saccarosio puro (molto più costoso). Il lattosio è recuperato dal siero di latte derivante dalla produzione del formaggio. I fattori da considerare per la scelta del substrato sono:

• Costo, l’ottenimento dei prodotti attraverso microrganismi deve essere competitivo con la via della sintesi chimica, quindi vantaggioso economicamente. Esempio: la produzione di acido glutammico, esaltatore di sapidità, può avvenire per sintesi chimica oppure attraverso l’uso di microrganismi;
• Disponibilità, in base alla stagionalità o alla tipologia del mercato più conveniente all’azienda;
• Facilità di trasporto e stoccaggio, che permette di avere un determinato substrato tutto l’anno, superando la stagionalità dei prodotti;
• Influente nei riflessi delle variabili di fermentazione (aerazione, agitazione e controllo della schiuma). Il controllo della schiuma deve essere effettuato nel caso di fermentazioni in cui si utilizzano microrganismi aerobi (si deve insufflare aria nel fermentatore con la conseguente formazione di schiuma). Perciò in questi processi devono essere utilizzati ingredienti che non favoriscono la formazione di schiuma, che ostruisce le valvole dell’impianto;
• Facilità di sterilizzazione, se all’interno di un fermentatore da 400.000 L è presente un microrganismo indesiderato il processo non porterà alla formazione del prodotto, con relativa perdita economica;
• Ottenimento di alte rese di conversione e fermentazione;
• Minima formazione di prodotti secondari;
• Assenza di problemi di tipo igienico-sanitario o di sicurezza (tossicità) (infiammabile, esplosivo).

Prodotti

I prodotti della microbiologia industriale sono le biomasse microbiche, i metaboliti primari e secondari, e i prodotti complessi da DNA ricombinante. Le biomasse microbiche si possono distinguere per il loro impiego:

• Integrale, funghi superiori, alghe, biomasse per dietetica, biomasse proteiche per mangimistica (biomasse di lieviti del genere Candida, non patogena, prodotte per essere inserite nelle formulazione dei mangimi al fine di aumentare il valore nutrizionale proteico);
• Per estrazione, lisati di lieviti, estratti proteico-vitaminici, lipidi, enzimi, RNA e derivati.

Oppure in funzione dell’attività:

• Substrati o ambienti complessi, lievito per panificazione, starter (es. produzione di batteri lattici, venduti per la produzione di yogurt e formaggio), fermenti lattici, colture azoto-fissatrici, colture insetticide, vaccini, colture per fanghi attivi;
• Molecole particolari, biomasse impiegabili in biotrasformazioni.

I metaboliti primari sono essenziali per la vita e la riproduzione della cellula, sono sempre prodotti durante la fase di sviluppo esponenziale. Essi sono: metaboliti di degradazione isolabili, prodotti finali o intermedi del metabolismo energetico (fermentativo od ossidativo); riversati nel terreno colturale, ove si accumulano e da cui vengono estratti; derivano dalla degradazione del substrato fonte di carbonio ed energia (es. un carboidrato) presente in elevata concentrazione. I metaboliti primari sono acidi organici (lattico, butirrico, propionico, acetico, citrico, fumarico); amminoacidi e loro intermedi (acido glutammico, lisina); alcoli (etanolo); polialcoli (glicerolo, mannitolo); carboidrati; vitamine; nucleotidi ed acidi nucleici; lipidi; proteine.

I metaboliti secondari non sono essenziali per lo sviluppo e la riproduzione della cellula, sono composti che il microrganismo sintetizza, non durante lo sviluppo delle cellule, ma nella fase stazionaria, in cui le cellule che si lisano e muoiono sono pari alle cellule che si duplicano. I metaboliti secondari vengono generalmente prodotti a partire dai metaboliti primari o loro intermedi, che fungono quindi da precursori.

Le fasi successive alla fase stazionaria, dal punto di vista industriale, non vengono considerate. Nella produzione di biomassa le cellule vengono prelevate dal fermentatore alla fine della fase di crescita esponenziale, allo stesso modo per la produzione di metaboliti primari prodotti durante lo sviluppo microbico. Nella produzione di metaboliti secondari il processo richiede più tempo per permettere al microrganismo di raggiungere la fase stazionaria e svolgere vie metaboliche differenti, tipiche di microrganismi aerobi e tipiche di lieviti e funghi. La produzione dell’acido citrico nelle produzioni alimentari avviene attraverso un processo fermentativo con Aspergillus. L’etanolo è prodotto per via microbiologica da Saccharomyces cerevisiae.

I prodotti complessi, non isolabili, sono prodotti in cui a fine processo il microrganismo non è più separabile dal terreno di coltura (insieme del substrato trasformato contenente gli stessi microrganismi responsabili della modificazione). I prodotti complessi sono prodotti come:

• Preparazioni alimentari, bevande alcoliche, aceto, tipi di latte fermentato, prodotti caseari, cibi orientali fermentati (tempeh, salsa di soia);
• Conservazioni alimentari, vegetali fermentati (olive, crauti), formaggi insilati, stagionatura di carni insaccate;
• Lavorazioni diverse, macerazione di fibre tessili (canapa, lino, juta), trattamento di rifiuti liquidi e solidi.

I prodotti da DNA ricombinante sono di difficile classificazione in relazione all’eterogeneità. La maggior parte di questi composti sono di interesse farmaceutico. Alcuni lieviti sono in grado di produrre la chimosina, enzima responsabile della coagulazione del latte, alcuni ceppi di Bacillus sono in grado di produrre l’amilasi e la riboflavina. Anche le alghe sono di interesse per la produzione di integratori alimentari.

Esempi di prodotti ottenibili da DNA ricombinante

Principali generi di batteri di interesse industriale e relative applicazioni